發(fā)布時(shí)間：2020-03-26 18:25

【摘要】：在資源匱乏和能源危機(jī)的當(dāng)代,吸附法因其具備運(yùn)行能耗低、適用范圍廣、可回收利用等優(yōu)勢,而廣泛應(yīng)用于揮發(fā)性有機(jī)物VOCs廢氣的治理。吸附劑是實(shí)現(xiàn)VOCs高效分離的關(guān)鍵所在。針對傳統(tǒng)VOCs吸附面臨的成型活化過程復(fù)雜、傳質(zhì)過程受限等問題,以研發(fā)VOCs高效吸附材料為出發(fā)點(diǎn),本文圍繞等級孔的構(gòu)建、表面性質(zhì)的調(diào)控以及材料的成型三個(gè)方面開展工作:以酚醛樹脂為碳源,通過溶膠凝膠路線制備等級孔有序介孔碳(OMC)和納米碳球,并分別以硼化酚醛樹脂(FB樹脂)和OMC凝膠為粘結(jié)劑,進(jìn)行粘結(jié)和澆鑄成型,制備成型等級孔OMC和納米碳球/OMC海綿碳;以PVDF為碳源,g-C3N4為改性劑,通過相分離-碳化法一步制備毫米級多孔碳珠。研究成型等級孔碳材料對VOCs的吸附性能以及不同成型方式對成型等級孔碳材料在床層應(yīng)用的影響。具體研究內(nèi)容如下:(1)通過溶膠凝膠法和粘結(jié)成型法制備了成型等級孔OMC。經(jīng)過成型參數(shù)優(yōu)化,開發(fā)出OMC粉末成型的工藝路線。通過苯蒸氣的吸附穿透實(shí)驗(yàn),成型樣品對苯的吸附為物理吸附;與比表面積相當(dāng)?shù)幕钚蕴肯啾?成型樣品OMC呈現(xiàn)出更優(yōu)的吸附性能,主要?dú)w因于等級孔分布的孔道結(jié)構(gòu)。在適中的負(fù)載條件下,微孔-介孔的等級孔結(jié)構(gòu)有利于活性組分的分散,提高反應(yīng)活性,提升對硫化氫的吸附性能;與以微孔為主的活性炭相比,OMC的等級孔結(jié)構(gòu)利于銅物種的分散,有效抑制粒徑的生長,更有利于提高活性組分的活性,提高對硫化氫等氣體污染物的吸附性能。(2)通過“硅輔助”溶膠凝膠法及凝膠澆鑄成型制備了高孔隙率、高孔容、豐富微孔-介孔結(jié)構(gòu)、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米碳球/OMC海綿碳。通過氮元素的原位摻雜實(shí)現(xiàn)納米碳球性質(zhì)的調(diào)控。在空心結(jié)構(gòu)和氮摻雜的共同作用下,氮摻雜空心碳球(NHCS)對苯具有改善的吸附性能;空心結(jié)構(gòu)可促進(jìn)脫附行為;通過芳香度的影響實(shí)驗(yàn),詮釋了氮摻雜對吸附性能的增效機(jī)制。在成型海綿碳中,NHCS添加量為0.10g的樣品對苯具有優(yōu)異的吸附性能,主要?dú)w因于NHCS更好的分散和微孔-介孔-中空結(jié)構(gòu)組成豐富的等級孔道結(jié)構(gòu);吸附床壓降僅為24.5Pa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)顆�；钚蕴�,可有效降低運(yùn)行能耗。(3)將高分子相分離法引入到球形碳的制備中,通過“相分離-碳化法”成功制備了高球形度、高強(qiáng)度、粒徑為1.5 mm左右的多孔碳珠(PCBs)。通過改變膠凝浴組成,控制分相過程,從而實(shí)現(xiàn)對PCBs孔道結(jié)構(gòu)的調(diào)控。歸因于發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)(高的微孔比表面積和孔容、由內(nèi)到外的海綿狀孔-指狀孔-皮質(zhì)層結(jié)構(gòu))和超強(qiáng)的疏水性,PCBs對不同極性VOCs展示出很好的吸附性能。PCBs對苯的吸附符合LDF模型,PCBs-2呈現(xiàn)出最快的吸附速率和最高的吸附容量,主要由于其豐富的介孔-大孔含量和較薄的皮質(zhì)層;通過吸附穿透實(shí)驗(yàn)及與顆�；钚蕴亢推渌�碳材料的橫向?qū)Ρ?PCBs-2在相近的吸附條件下,展示出優(yōu)異的動態(tài)吸附性能;PCBs-2作為VOCs吸附劑具有很好的再生性。(4)在PCBs的基礎(chǔ)上,以g-C3N4為改性劑,成功制備了具有豐富大孔-介孔-微孔等級孔道結(jié)構(gòu)、高氮含量、極性官能團(tuán)、粒徑為1.2mm的氮摻雜多孔碳珠(NCBs)。g-C3N4在NCBs的制備過程中起到介孔模板和氮摻雜前驅(qū)體的雙重作用。氮元素的摻雜在NCBs對苯的吸附性能沒有影響的基礎(chǔ)上,拓展了對極性氣體硫化氫的吸附性能;NCBs對硫化氫和苯的吸附相互之間幾無負(fù)面影響,主要是由不同的吸附機(jī)制所決定;其中,吸附的苯分子通過改變鄰近氮原子的電子分布,生成更多的堿性位點(diǎn),從而增強(qiáng)NCBs對硫化氫的吸附性能。NCBs-3對苯具有更快的吸附速率,主要?dú)w因于高孔容和介孔孔容,以及17nm大介孔的微孔-介孔-大孔結(jié)構(gòu)。NCBs-3的吸附床壓降為68.6Pa,小于傳統(tǒng)顆�；钚蕴�,可減小能耗,降低運(yùn)行費(fèi)用。
【圖文】：

地區(qū)分別出現(xiàn)了兩次大范圍、長時(shí)間的霧霾污染，造成嚴(yán)重的人體健康危害和巨大的經(jīng)逡逑濟(jì)損失，其中１月中下旬京津冀地區(qū)因ＰＭ２．５短期暴露導(dǎo)致超額死亡２７２５人［ｎ，１２］，造逡逑成的直接經(jīng)濟(jì)損失約２３０億元［１３］。圖１．１所示為２０１３年全國霧霾日數(shù)分布圖。面臨嚴(yán)逡逑峻的污染形勢，開展大氣污染理論研宄和控制技術(shù)研發(fā)，對大氣污染的治理具有重大意逡逑義，也是科研工作者的重心所在。邐逡逑Ｑｍ，逡逑Ｉ邋＾１邋囡家氣候中心邐＾邋！邋邋？仛一逡逑圖１．１邋２０１３年全國霧帶日數(shù)分布示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｈａｚｅ邋ｄａｙｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎ邋２０１１４】逡逑相比于煙塵及二氧化硫減排工作的持續(xù)深入，對細(xì)顆粒物貢獻(xiàn)較大的揮發(fā)性有機(jī)物逡逑控制尚處于起步階段。政府相關(guān)部門相繼出臺了《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)逡逑劃》（２０１２年１０月）、《大氣污染防治行動計(jì)劃》（２０１３年９月）和《清潔空氣研究計(jì)劃》逡逑（２０１３年９月）等，將ＶＯＣｓ列為防控重度污染物，進(jìn)行專項(xiàng)治理規(guī)劃方案；２０１７年９月逡逑正式下發(fā)了《“十三五”揮發(fā)性有機(jī)物污染防治工作方案》，用于ＶＯＣｓ的專項(xiàng)治理，逡逑１逡逑

邐０邐１００邐２００邐３００邐４００邐５００邋ＷＫ）邋７００邐８００逡逑／Ｖｍｍｔｌｊｔ逡逑圖１．４邋ＦＩＲ－５１的籠式結(jié)構(gòu)（左），２７３邋Ｋ下小分子烴和Ｃ０２的吸附等溫線（右：）［７８］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｃａｇｅ邋ｓｕｂ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＦＩＲ－５１，邋ｓｍａｌｌ邋ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ邋ａｎｄ邋Ｃ0２邋ｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｉｓｏｔｈｅｎｎｓ邋ａｔ邋２７３邋Ｋ［７８］逡逑１．２．３聚合物類吸附劑逡逑吸附樹脂是最常用的聚合物吸附劑，主要由苯乙烯、二乙烯苯等為單體通過自由基逡逑聚合得到。吸附樹脂具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)良的吸附－脫附循環(huán)性能，并且可根逡逑據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)制不同化學(xué)性質(zhì)和孔徑的吸附樹脂，在有機(jī)廢水和微污染水的治理中得逡逑到廣泛應(yīng)用［７９＿８１］。較高的孔隙率、特有的孔道結(jié)構(gòu)和可調(diào)的表面化學(xué)性質(zhì)，讓吸附樹脂逡逑對ＶＯＣｓ的吸附表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。Ｌｏｎｇ等［８２］以超交聯(lián)聚苯乙烯樹脂為吸附劑的逡逑研究證實(shí)，吸附樹脂對苯、氯苯等ＶＯＣｓ顯示出與活性炭相當(dāng)?shù)奈�附能力，并且受到氣逡逑體濕度的影響較小，脫附效率更高。Ｗａｎｇ等［８３］研宄發(fā)現(xiàn)，以三乙炔苯為單體，，通過偶逡逑聯(lián)聚合制備的ＣＭＰ邋（Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ邋Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ邋Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）具有很強(qiáng)的疏水性：相比于活性逡逑炭
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X701;TQ424;TQ127.11

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3 王sユ

本文編號：2601796